KR101252895B1 - Ｃｍｐ 적용에서의 조율가능한 선택성 슬러리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판을 연마하기 위한 화학적-기계적 연마 조성물의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 소정의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제1 화학적-기계적 연마 조성물과, 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 상이한 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하며, 여기서 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 제1 화학적-기계적 연마 조성물의 존재하에 안정한 것인 단계, 및 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 최종 선택성이 달성되도록 소정의 비율로 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 혼합하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 기판의 화학적-기계적 연마 방법을 제공한다.
화학적-기계적 연마, 연마제, 안정화제, 금속 에칭 억제제, 액상 담체

Description

ＣＭＰ 적용에서의 조율가능한 선택성 슬러리 {TUNABLE SELECTIVITY SLURRIES IN CMP APPLICATIONS}
본 발명은 화학적-기계적 연마 조성물의 제조 방법, 및 이를 사용한 기판의 연마 방법에 관한 것이다.
집적 회로는 규소 웨이퍼와 같은 기판 내에 또는 그 위에 형성된 수백만 가지의 활성 소자로 구성된다. 활성 소자는 기판에 화학적으로 그리고 물리적으로 연결되며, 다단(multilevel) 상호연결부의 사용을 통해 기능성 회로가 형성되도록 상호연결된다. 전형적인 다단 상호연결부는 제1 금속 층, 중간(interlevel) 유전체 층, 및 제2 금속 층, 및 때로는 추후의 금속 층(들)을 포함한다.
물질의 층들은 순차적으로 기판 위에 침착되고 기판으로부터 제거되기 때문에, 기판의 최상부 표면의 일부를 제거하는 것이 요구될 수 있다. 표면의 평탄화 또는 표면의 "연마"는 일반적으로는 균일한, 평탄한 표면이 형성되도록 기판의 표면으로부터 물질을 제거하는 방법이다. 평탄화는 목적하지 않는 표면 형상(topography) 및 표면 결함, 예컨대 조악한 표면, 응집된 물질, 결정 격자 손상부, 스크래치, 및 오염된 층 또는 물질을 제거하는데 유용하다. 또한, 평탄화는 특징부를 충전하고 추후의 금속화 수준을 위해 수평의 표면을 제공하는데 사용되는 과잉 침착 물질을 제거하고, 가공하여, 기판 위에 특징부를 형성하는데 유용하다.
화학적-기계적 평탄화 또는 화학적-기계적 연마 (CMP)는 기판을 평탄화하는데 사용되는 통상적인 기술이다. CMP에서는 기판으로부터 물질을 제거하기 위한 화학적 조성물, 전형적으로는 슬러리 또는 다른 유체 매질이 이용된다. 종래의 CMP 기술에서, 기판 캐리어(carrier) 또는 연마 헤드는 캐리어 조립체 위에 탑재되고, CMP 장치의 연마 패드와 접촉하게 위치한다. 캐리어 조립체는 연마 패드에 대해 기판을 가압하는 제어가능한 압력을 기판에 제공한다. 패드는 외부 구동력에 의해 기판에 대해 이동한다. 패드와 기판의 상대적인 이동은 기판의 표면을 마모시켜서 기판의 표면으로부터 물질의 일부를 제거하는 작용을 하여, 기판을 연마한다. 패드와 기판의 상대적인 이동에 의한 기판의 연마는 전형적으로 연마 조성물의 화학적 활성 및/또는 연마 조성물에 현탁된 연마제의 기계적 활성에 의해 추가로 보조된다.
연마 조성물은 연마 방법에 의해 제거되는 특정 층 또는 물질에 대한 선택성이 높거나 낮을 수 있다. 높은 선택성을 갖는 연마 조성물을 사용하여 CMP를 수행하는 경우, 그 선택적 물질의 제거 속도는 연마되는 기판의 표면에 노출된 다른 물질(들)의 제거 속도보다 매우 더 높다. 반대로, 낮은 선택성을 갖는 연마 조성물을 사용하여 CMP를 수행하는 경우, 연마되는 기판 표면 위에 존재하는 각각의 물질은 실질적으로 동일한 속도로 제거된다. 비선택적 슬러리는 형상을 유리하게 개선할 수 있다. 즉, 더욱 광범위한 표면 특징부 또는 패턴에 걸쳐 선택적 슬러리에 비해 함몰(dishing) 및 침식(erosion)을 감소시킬 수 있다.
연마 조성물 이외에, CMP 장치 및 기판 위의 표면 패턴이 연마 단계 동안 선택성에 영향을 미친다. 그러나 상기한 인자들은 최종 사용자, 즉 장치 제조자에 따라 독자적이다. 따라서, 고정 선택성 연마 조성물은 한 장치 제조자와 또다른 장치 제조자에서 동일한 선택성을 나타내지 않을 것이다. 예를 들면, 금속 층 및 유전체 층을 함유하는 기판에 대해 비선택적이도록 고안된 연마 조성물은 실제 기판의 연마 동안 1:1 선택성을 나타내지 않을 수 있어서, 바람직하지 않은 침식을 유발할 수 있다. 따라서, 최종 사용자가 특정 기판 및/또는 장치에 대해 연마 성능을 용이하게 최적화시키는 것을 가능하게 하는 조율가능한 선택성을 갖는 연마 조성물이 요구되고 있다. 구체적으로는, 단일 CMP 연마 단계 동안 금속 층 및 유전체 층이 거의 동등한 연마 속도로 비선택적으로 제거되도록 최종 사용자에 의해 조율될 수 있는 연마 조성물이 요구되고 있다.
본 발명은 조율가능한 연마 조성물의 이러한 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 상기 및 다른 이점, 및 또한 본 발명의 추가 특징은 본원에 제공되는 발명의 설명으로 명백해질 것이다.
<발명의 개요>
본 발명은 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판을 연마하기 위한 화학적-기계적 연마 조성물의 제조 방법이며, (a) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제1의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제1 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하는 단계, (b) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제2의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하며, 여기서 제2 화학적-기계적 연마 조 성물은 제1 화학적-기계적 연마 조성물의 존재하에 안정하고, 제1의 선택성과 제2의 선택성은 상이한 것인 단계, 및 (c) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 최종 선택성이 달성되도록 소정의 비율로 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 혼합하는 단계를 포함하는, 화학적-기계적 연마 조성물의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판을 제공하는 단계; (b) (i) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제1의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제1 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하는 단계, (ii) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제2의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하며, 여기서 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 제1 화학적-기계적 연마 조성물의 존재하에 안정하고, 제1의 선택성과 제2의 선택성은 상이한 것인 단계, 및 (iii) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 최종 선택성을 갖는 최종 화학적-기계적 연마 조성물이 달성되도록 소정의 비율로 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 혼합하는 단계를 포함하는, 최종 화학적-기계적 연마 조성물을 제조하는 단계; (c) 기판을 최종 화학적-기계적 연마 조성물과 접촉시키는 단계; (d) 기판에 대해 연마 패드를 그들 사이의 최종 화학적-기계적 연마 조성물과 함께 이동시키는 단계, 및 (e) 기판의 적어도 일부를 마모시켜, 기판을 연마하는 단계를 포함하는, 기판의 화학적-기계적 연마 방법을 제공한다.
도 1은 최종 화학적-기계적 연마 조성물 중 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물의 비율에 따른 텅스텐 (W) 제거 속도, 산화물 제거 속도, 및 W:산화물 선택 성의 그래프이다.
본 발명은 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판을 연마하기 위한 화학적-기계적 연마 조성물의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 목적하는 최종 선택성 (즉, 제1 층의 물질과 제2 층의 물질 사이의 상대적인 제거 속도)을 갖는 화학적-기계적 연마 조성물의 제조를 가능하게 한다.
제1 층과 제2 층은 상이하며, 상이한 물질을 포함한다. 제1 층 및 제2 층은 임의의 적합한 물질, 특히 집적 회로의 디자인 및 제조에 적합한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 층은 금속 층을 포함하고, 제2 층은 유전체 층을 포함한다. 금속 층은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 텅스텐, 탄탈, 이리듐, 하프늄, 티타늄, 루테늄, 백금, 금, 은, 이들의 산화물, 이들의 질화물, 이들의 합금, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속 층은 텅스텐을 포함한다. 유전체 층은 이산화규소, 도핑된 이산화규소 및 규소 옥시니트라이드와 같은 규소 기재 유전체 물질, 및 κ가 낮은 유전체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 유전체 층은 이산화규소, 도핑된 이산화규소 또는 규소 옥시니트라이드를 포함한다.
제2 층과 비교하여 제1 층에 대한, 목적하는 최종 선택성은 제1 화학적-기계적 연마 조성물과 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 특정 비율로 혼합하여, "최종" 화학적-기계적 연마 조성물을 형성함으로써 달성된다. 제1 화학적-기계적 연마 조성물은 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제1의 선택성을 갖고, 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제2의 선택성을 갖는다. 이에 따라, 목적하는 최종 선택성을 갖는 최종 화학적-기계적 연마 조성물을 달성하는데 필요한 제1 연마 조성물 및 제2 연마 조성물의 양의 비율이 용이하게 결정될 수 있다. 특히, 제1 및 제2 연마 조성물의 양의 비율을 조정함으로써, 최종 화학적-기계적 연마 조성물의 최종 선택성은 최종 사용자, 즉 장치 제조자의 가변적인 요구에 적합하도록 용이하게 조율될 수 있다.
제1 연마 조성물은 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 임의의 적합한 선택성을 가질 수 있다. 전형적으로, 제1의 선택성은 25:1 내지 1:1 (예를 들면, 20:1 내지 1:1, 10:1 내지 1:1, 5:1 내지 1:1, 2:1 내지 1:1, 1.8:1 내지 1:1, 1.5:1 내지 1:1, 및 1.2:1 내지 1:1)이다. 제2 연마 조성물은 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 임의의 적합한 선택성을 가질 수 있다. 전형적으로, 제2의 선택성은 0.04:1 내지 1:1 (예를 들면, 0.1:1 내지 1:1, 0.2:1 내지 1:1, 0.5:1 내지 1:1, 0.6:1 내지 1:1, 0.8:1 내지 1:1)이다. 제1의 선택성과 제2의 선택성은 상이하다. 제1의 선택성과 제2의 선택성이 둘 다 낮을 수는 없다. 즉, 제1의 선택성과 제2의 선택성이 둘 다 1:1일 수는 없다.
제2 연마 조성물은 제1 연마 조성물의 존재하에 안정하다. 본원에서 사용되는 용어 "안정한"은 연마 조성물이 화학적으로 그리고 물리적으로 모두 안정한 것을 말한다. 따라서, 제1 연마 조성물 및 제2 연마 조성물의 성분들은 혼합될 때 분해 또는 서로 간의 화학 반응에 의해 소모되지 않는다. 또한, 제1 및 제2 조성물의 가용성 성분은 혼합될 때 여전히 용액 상태이며, 제1 및 제2 조성물의 불용성 성분은 혼합될 때 여전히 현탁 상태이다.
제1 및 제2 연마 조성물은 연마제를 포함한다. 전형적으로, 연마제는 제1 및 제2 연마 조성물 중에 연마 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량％ 이상 (예를 들면, 0.5 중량％ 이상, 또는 1 중량％ 이상)의 양으로 존재한다. 전형적으로, 연마제는 제1 및 제2 연마 조성물 중에 제1 및 제2 연마 조성물의 총 중량을 기준으로 20 중량％ 이하 (예를 들면, 15 중량％ 이하, 10 중량％ 이하, 5 중량％ 이하, 또는 2.5 중량％ 이하)의 양으로 존재한다.
연마제는 임의의 적합한 연마제일 수 있으며, 이의 다수가 당업계에 잘 알려져 있다. 연마제는 바람직하게는 금속 산화물을 포함한다. 적합한 금속 산화물은 알루미나, 실리카, 티타니아, 세리아, 지르코니아, 게르마니아, 마그네시아, 이들의 공생성물 및 이들의 배합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함한다. 바람직하게는, 금속 산화물은 실리카이다. 실리카는 임의의 적합한 형태의 실리카일 수 있다. 유용한 형태의 실리카는 퓸드 실리카(fumed silica), 침강 실리카(precipitated silica) 및 축중합 실리카를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 실리카는 축중합 실리카이다. 축중합 실리카 입자는 전형적으로 콜로이드 입자가 형성되도록 Si(OH)4를 축합함으로써 제조된다. 전구물질 Si(OH)4는, 예를 들면 고순도 알콕시실란의 가수분해에 의해 또는 실리케이드 수용액의 산성화에 의해 수득될 수 있다. 이러한 연마제 입자는 미국 특허 제5,230,833호에 따라 제조될 수 있거나, 푸조(Fuso) PL-1, PL-2 및 PL-3 제품, 및 날코(Nalco) 1050, 2327 및 2329 제품과 같은 임의의 다양한 시판 제품, 및 또한 듀폰(DuPont), 바이엘(Bayer), 어플라이드 리서치(Applied Research), 닛산 케미칼(Nissan Chemical) 및 클라리언트(Clariant)에서 입수가능한 다른 유사 제품으로서 수득될 수 있다.
연마제 입자는 임의의 적합한 크기를 가질 수 있다. 연마제 입자의 평균 1차 입자 크기 (예를 들면, 평균 1차 입자 직경)는 전형적으로 5 nm 내지 250 nm이다. 바람직하게는, 연마제 입자의 평균 1차 입자 크기는 10 nm 내지 100 nm이다. 가장 바람직하게는, 연마제 입자의 평균 1차 입자 크기는 25 nm 내지 80 nm이다.
제1 및 제2 연마 조성물은 액상 담체를 포함한다. 액상 담체는 이에 용해되거나 현탁된 연마제 및 임의의 성분을 연마하고자 하는 (예를 들면, 평탄화시키고자 하는) 기판의 표면에 적용하는 것을 용이하게 하는데 사용된다. 액상 담체는 전형적으로 수성 담체이며, 단지 물일 수 있거나 (즉, 물로만 이루어질 수 있거나), 물을 주성분으로 포함할 수 있거나, 물과 적합한 수혼화성(water-miscible) 용매를 포함할 수 있거나, 유화액일 수 있다. 적합한 수혼화성 용매는 메탄올 및 에탄올 등과 같은 알코올, 디옥산 및 테트라히드로푸란과 같은 에테르를 포함한다. 바람직하게는, 수성 담체는 물, 보다 바람직하게는 탈이온수를 포함하거나, 이를 주성분으로 포함하거나, 이로 이루어진다.
제1 및 제2 연마 조성물은 금속 에칭 억제제를 더 포함할 수 있다. 유용한 금속 에칭 억제제인 화합물의 종류는 질소 함유 헤테로사이클, 알킬 암모늄 이온, 아미노 알킬 및 아미노산과 같은 질소 함유 관능기가 있는 화합물을 포함한다. 질소 함유 헤테로시클릭 관능기를 포함하는 유용한 금속 에칭 억제제의 예에는 2,3,5-트리메틸피라진, 2-에틸-3,5-디메틸피라진, 퀴녹살린, 아세틸 피롤, 피리다진, 히스티딘, 피라진, 벤즈이미다졸 및 이들의 혼합물이 포함된다.
본원에서 사용되는 용어 "알킬 암모늄 이온"은 수용액에서 알킬 암모늄 이온을 생성할 수 있는 관능기가 있는 질소 함유 화합물을 말한다. 질소 함유 관능기가 있는 화합물을 포함하는 수용액에서 생성되는 알킬암모늄 이온의 수준은 용액의 pH, 및 선택된 화합물 또는 화합물들에 따라 좌우된다. pH가 9 미만인 수용액에서 억제작용 양의 알킬 암모늄 이온 관능기를 생성하는 질소 함유 관능기 금속 에칭 억제제의 예에는 모노쿼트 이시에스 (이소스테아릴에틸이미디도늄), 세틸트리메틸 암모늄 히드록사이드, 알카테르게 E (2-헵타데세닐-4-에틸-2-옥사졸린-4-메탄올), 알리쿼트 336 (트리카프릴메틸 암모늄 클로라이드), 누오스페트 101 (4,4-디메틸옥사졸리딘), 테트라부틸암모늄 히드록사이드, 도데실아민, 테트라메틸암모늄 히드록사이드, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 바람직한 금속 에칭 억제제는 테트라부틸암모늄 히드록사이드이다.
유용한 아미노 알킬 금속 에칭 억제제는, 예를 들면 아미노프로필실란올, 아미노프로필실록산, 도데실아민 및 이들의 혼합물을 포함한다. 추가로, 유용한 금속 에칭 억제제는 리신, 티로신, 글루타민, 글루타민산, 글리신, 시스틴 및 세린과 같은 합성 및 천연 아미노산을 포함한다.
바람직한 일 실시양태에서, 금속 에칭 억제제는 테트라부틸암모늄 히드록사이드, 글리신 또는 이들의 배합물이다.
금속 에칭 억제제는 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다. 전형적으로, 억제제는 제1 및 제2 연마 조성물 중에 0.001 중량％ 이상 (예를 들면, 0.005 중량％ 이상, 또는 0.01 중량％ 이상)의 양으로 존재한다. 전형적으로, 억제제는 제1 및 제2 연마 조성물 중에 2 중량％ 이하 (예를 들면, 1 중량％ 이하, 또는 0.1 중량％ 이하)의 양으로 존재한다.
제1 및 제2 연마 조성물은 임의로는 1종 이상의 다른 첨가제를 더 포함한다. 제1 및 제2 연마 조성물은 증점제 및 응집제(coagulant)를 비롯한 유동 제어제 (예를 들면, 우레탄 중합체와 같은 중합체 유동 제어제) 및/또는 계면활성제를 포함할 수 있다. 적합한 계면활성제는, 예를 들면 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 음이온성 고분자전해질, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제, 불화 계면활성제 및 이들의 혼합물 등을 포함한다.
제1 및 제2 연마 조성물은 임의의 적합한 pH를 가질 수 있다. 전형적으로, 제1 및 제2 연마 조성물의 pH는 9 이하 (예를 들면, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 또는 4 이하)이다. 제1 연마 조성물의 pH와 제2 연마 조성물의 pH는 동일하거나 상이할 수 있다.
제1 및 제2 연마 조성물의 pH는 임의의 적합한 방식에 의해 달성될 수 있고/있거나 유지될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 연마 조성물은 pH 조정제, pH 완충제 또는 이들의 배합물을 더 포함할 수 있다. pH 조정제는 임의의 적합한 pH 조정 화합물일 수 있다. 예를 들면, pH 조정제는 질산, 수산화칼륨 또는 이들의 배합물일 수 있다. pH 완충제는 임의의 적합한 완충제, 예를 들면 포스페이트, 술페이트, 아세테이트, 보레이트 및 암모늄 염 등일 수 있다. 제1 및 제2 연마 조성물은 임의의 적합한 양의 pH 조정제 및/또는 pH 완충제를 포함할 수 있되, 단 연마 조성물의 pH를 상기한 pH 범위 내로 달성하고/하거나 유지하기에 적합한 양이 사용된다.
제1 연마 조성물은 1종 이상의 촉매를 더 포함할 수 있다. 촉매는 금속, 비금속 또는 이들의 배합물일 수 있다. 바람직하게는, 촉매는 철 촉매이다. 적합한 촉매는 질산철(II 또는 III), 황산철(II 또는 III), 불화철(II 또는 III), 염화철(II 또는 III), 브롬화철(II 또는 III), 요오드화철(II 또는 III), 과염소산철(II 또는 III), 과브롬산철(II 또는 III) 및 과요오드산철(II 또는 III)을 비롯한 철(II 또는 III) 할라이드와 같은 철의 무기 염; 또는 철(II 또는 III) 아세테이트, 아세틸아세토네이트, 시트레이트, 글루코네이트, 말로네이트, 옥살레이트, 프탈레이트 및 숙시네이트와 같은 유기 철(II 또는 III) 화합물을 포함한다. 보다 바람직하게는, 촉매는 질산철(II 또는 III)이다.
촉매는 제1 연마 조성물 중에 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다. 전형적으로, 촉매는 0.0001 중량％ 이상 (예를 들면, 0.001 중량％ 이상, 0.005 중량％ 이상, 또는 0.01 중량％ 이상)의 양으로 존재한다. 전형적으로, 촉매는 2 중량％ 이하 (예를 들면, 0.5 중량％ 이하, 또는 0.05 중량％ 이하)의 양으로 존재한다.
제1 연마 조성물은 안정화제를 더 포함할 수 있다. 안정화제는 촉매가 산화제와 반응하는 것을 억제한다. 유용한 안정화제는 인산, 아디프산, 시트르산, 말론산, 오토프탈산 및 EDTA와 같은 유기 산, 포스포네이트 화합물, 벤조니트릴과 같은 니트릴 화합물, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 안정화제는 말론산이다.
안정화제는 제1 연마 조성물 중에 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다. 전형적으로, 안정화제는 촉매 당 1 당량 내지 15 당량 범위의 양으로 존재한다. 보다 바람직하게는, 안정화제는 촉매 당 1 당량 내지 5 당량 범위의 양으로 존재한다.
제1 및 제2 연마 조성물을 혼합한 후, 생성된 혼합 (즉, 최종) 화학적-기계적 연마 조성물에 산화제가 첨가될 수 있다. 산화제는 촉매와 함께 제1 층, 즉 금속 층을 산화시킨다. 사용되는 산화제는 바람직하게는 1종 이상의 무기 또는 유기 과화합물이다. 문헌 [Hawley's Condensed Chemical Dictionary]에 정의되어 있는 바와 같이, 과화합물은 하나 이상의 퍼옥시기 (-O-O-)를 함유하는 화합물 또는 원소를 가장 높은 산화 상태로 함유하는 화합물이다. 하나 이상의 퍼옥시기를 포함하는 화합물의 예에는 과산화수소 및 이의 부가물(adduct), 예를 들면 우레아 히드로겐 퍼옥사이드 및 퍼카르보네이트, 유기 퍼옥사이드, 예를 들면 벤질 퍼옥사이드, 퍼아세트산 및 디-t-부틸 퍼옥사이드, 모노퍼술페이트 (SO5 2-), 디퍼술페이트 (S2O8 2-), 및 나트륨 퍼옥사이드가 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
원소를 가장 높은 산화 상태로 함유하는 화합물의 예에는 과요오드산, 과요오드산염, 과브롬산, 과브롬산염, 과염소산, 과염소산염, 과붕산, 과붕산염 및 퍼망가네이트가 포함되나, 이에 제한되지 않는다. 비-과화합물(non-per compound)의 예에는 브로메이트, 클로레이트, 크로메이트, 요오데이트, 요오드산, 및 암모늄 세륨 니트레이트와 같은 세륨(IV) 화합물이 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
바람직하게는, 산화제는 과산화수소이다.
최종 연마 조성물은 임의의 적합한 pH를 가질 수 있다. 전형적으로, 최종 연마 조성물의 pH는 9 이하 (예를 들면, 7 이하, 6 이하, 5 이하, 또는 4 이하)이다.
최종 연마 조성물은 임의의 적합한 기술에 의해 제조될 수 있으며, 이의 다수가 당업자에게 공지되어 있다. 최종 연마 조성물은 배치 또는 연속 공정으로 제조될 수 있다.
일반적으로, 최종 연마 조성물은 제1 연마 조성물과 제2 연마 조성물을 임의의 순서로 배합하고, 연마 조성물에 성분들을 혼입할 수 있는 임의의 방법에 의해 혼합함으로써 제조될 수 있다. 또한, 연마 조성물은 연마 작업 동안 기판의 표면에서 제1 및 제2 연마 조성물을 혼합함으로써 제조될 수 있다.
최종 연마 조성물은 제1 연마 조성물 및 제2 조성물을 포함하는 2 패키지 시스템으로서 공급될 수 있다. 또한, 적합하게는, 제1 또는 제2 컨테이너의 성분들이 pH 값이 상이하거나, 별법으로는 pH 값이 실질적으로 유사하거나, 심지어 동일한 pH 값을 갖는다. 과산화수소와 같은 산화제는 제1 및 제2 연마 조성물로부터 별도로 공급될 수 있으며, 예를 들면 최종 사용자에 의해, 사용하기 바로 전 (예를 들면, 사용하기 전 1주일 이내, 사용하기 전 1일 이내, 사용하기 전 1시간 이내, 사용하기 전 10분 이내, 또는 사용하기 전 1분 이내)에 제1 및 제2 연마 조성물과 배합될 수 있다. 최종 연마 조성물의 성분들의 배합물인 다른 2개의 컨테이너, 또는 3개 이상의 컨테이너는 통상의 당업자의 지식 내이다.
또한, 제1 및 제2 연마 조성물은 사용하기 전에 적절한 양의 액상 담체로 희석되는 농축액으로서 제공될 수 있다. 이러한 일 실시양태에서, 예를 들면 제1 연마 조성물 농축액은, 농축액을 적절한 양의 액상 담체로 희석할 때 연마 조성물의 각각의 성분이 연마 조성물 중에 각각의 성분에 대해 상기한 적절한 범위 내의 양으로 존재하도록 하는 양으로 연마제, 철 촉매, 안정화제, 금속 에칭 억제제 및 액상 담체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 연마제, 철 촉매, 안정화제 및 금속 에칭 억제제는 각각 농축액 중에 각각의 성분에 대해 상기한 농도보다 2배 (예를 들면, 3배, 4배, 또는 5배) 높은 농도인 양으로 존재할 수 있어서, 농축액을 일정 동등 부피(equal volume)의 액상 담체 (예를 들면, 각각 2 동등 부피의 액상 담체, 3 동등 부피의 액상 담체, 또는 4 동등 부피의 액상 담체)로 희석할 때 각각의 성분이 연마 조성물 중에 각각의 성분에 대해 상기한 범위 내의 양으로 존재할 것이다. 유사하게, 제2 연마 조성물 중에는, 연마제 및 금속 에칭 억제제가 농축액 중에 각각의 성분에 대해 상기한 농도보다 2배 (예를 들면, 3배, 4배, 또는 5배) 높은 농도인 양으로 존재할 수 있어서, 농축액을 일정 동등 부피의 액상 담체 (예를 들면, 각각 2 동등 부피의 액상 담체, 3 동등 부피의 액상 담체, 또는 4 동등 부피의 액상 담체)로 희석할 때 각각의 성분이 연마 조성물 중에 각각의 성분에 대해 상기한 범위 내의 양으로 존재할 것이다. 또한, 통상의 당업자가 이해하는 바와 같이, 연마제, 철 촉매, 안정화제 및 금속 에칭 억제제 및 다른 적합한 첨가제가 적어도 일부 또는 전부 농축액에 용해되는 것을 확보하기 위해, 농축액은 최종 연마 조성물 중에 존재하는 액상 담체를 적절한 분율로 함유할 수 있다.
또한, 본 발명은 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판의 연마 방법을 제공한다. 기판의 연마 방법은 (a) 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판을 제공하는 단계, (b) (i) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제1의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제1 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하는 단계, (ii) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제2의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하며, 여기서 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 제1 화학적-기계적 연마 조성물의 존재하에 안정하고, 제1의 선택성과 제2의 선택성은 상이한 것인 단계, 및 (iii) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 최종 선택성을 갖는 최종 화학적-기계적 연마 조성물이 달성되도록 소정의 비율로 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 혼합하는 단계를 포함하는, 최종 화학적-기계적 연마 조성물을 제조하는 단계, (c) 기판을 최종 화학적-기계적 연마 조성물과 접촉시키는 단계, (d) 기판에 대해 연마 패드를 그 사이의 최종 화학적-기계적 연마 조성물과 함께 이동시키는 단계, 및 (e) 기판의 적어도 일부를 마모시켜, 기판을 연마하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라, 기판은 임의의 적합한 기술에 의해 본원에 기재하는 최종 연마 조성물로 평탄화 또는 연마될 수 있다. 본 발명의 연마 방법은 화학적-기계적 연마 (CMP) 장치와 관련된 용도를 위해 특히 적합하다. 전형적으로, CMP 장치는 사용시에 이동하며 궤도형(orbital), 선형 또는 원형 이동으로 인해 소정의 속도를 갖는 플래튼(platen); 플래튼과 접촉하며 이동시에 플래튼과 함께 이동하는 연마 패드; 및 기판을 연마 패드의 표면과 접촉시켜 이에 대해 이동시킴으로써 연마되도록 기판을 보유하는 캐리어를 포함한다. 기판의 연마는, 기판의 적어도 일부를 마모시켜 기판을 연마하기 위해, 기판을 연마 패드 및 본 발명의 연마 조성물과 접촉하게 위치시키고, 이어서 기판에 대해 연마 패드를 이동시킴으로써 수행된다.
기판은 임의의 적합한 연마 패드 (예를 들면, 연마 표면)를 사용하여 최종 연마 조성물로 평탄화 또는 연마될 수 있다. 적합한 연마 패드는, 예를 들면 제직 및 부직 연마 패드를 포함한다. 또한, 적합한 연마 패드는 밀도, 경도, 두께, 압축성, 압축시의 회복 능력 및 압축 모듈러스가 다양한 임의의 적합한 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 중합체는, 예를 들면 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 나일론, 불화탄소, 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 이들의 공생성물, 및 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직하게는, CMP 장치는 동일계(in situ) 연마 종점 검출 시스템을 더 포함하며, 이의 다수가 당업계에 공지되어 있다. 가공물(workpiece)의 표면으로부터 반사되는 빛 또는 다른 복사선을 분석하여 연마 공정을 점검 및 모니터링하는 기술은 당업계에 공지되어 있다. 이러한 방법은, 예를 들면 미국 특허 제5,196,353호, 미국 특허 제5,433,651호, 미국 특허 제5,609,511호, 미국 특허 제5,643,046호, 미국 특허 제5,658,183호, 미국 특허 제5,730,642호, 미국 특허 제5,838,447호, 미국 특허 제5,872,633호, 미국 특허 제5,893,796호, 미국 특허 제5,949,927호 및 미국 특허 제5,964,643호에 기재되어 있다. 바람직하게는, 연마되는 가공물에 대해 연마 공정의 진행을 점검 또는 모니터링하는 것은 연마 종점, 즉 특정 가공물에 대해 연마 공정이 종결되는 시점을 결정하는 것을 가능하게 한다.
하기 실시예는 본 발명을 더 예시하며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실시예 1
본 실시예는 본 발명의 방법에 의해 달성되는 조율가능한 선택성을 나타낸다.
제1 화학적-기계적 연마 조성물은 평균 1차 입자 크기가 25 nm인 축중합 실리카 (날코 TX11005) 5 중량％, 질산철 0.0837 중량％, 말론산 69 ppm, 및 테트라부틸암모늄 히드록사이드 (TBAH) 1250 ppm을 함유하였다. 제1 화학적-기계적 연마 조성물은 텅스텐 제거 속도가 2700 Å/min로 높았다. 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 평균 입자 직경이 25 nm인 축중합 실리카 (날코 TX11005) 5 중량％, 및 TBAH 1250 ppm을 함유하였다. 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 산화물 제거 속도가 1900 Å/min로 높았다. 제1 및 제2 연마 조성물을 다양한 비율로 혼합하고, 과산화수소 4 중량％를 첨가하여, 7종의 연마 조성물 (1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F 및 1G)을 제조하였다.
텅스텐 패턴화 웨이퍼를 포함하는 유사한 기판들을 7종의 연마 조성물로 연마하였다. 텅스텐 및 산화물 제거 속도 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure 112008089298884-pct00001
표 1의 데이터를 도 1의 그래프에 도시하여, 텅스텐 제거 속도, 산화물 제거 속도 및 텅스텐:산화물 선택성을 나타내었다. 결과는 산화물 및 텅스텐 모두의 제거 속도가 허용가능하게 유지되면서 선택성이 용이하게 제어됨을 나타내었다. 선택성을 조율한 본 실시예에서, 제1 및 제2 연마 조성물의 비율이 변화함에 따라, 산화물 제거 속도가 변화되지 않으면서 철 촉매 농도의 변화로 인해 텅스텐 제거 속도가 조정되었다. 또한, 목적하는 최종 선택성을 달성하는데 필요한 제1 연마 조성물 대 제2 연마 조성물의 비율은 텅스텐:산화물 선택성에 상응하는 직선의 기울기로부터 용이하게 산출하였다. 본 특정 상황에서, 직선의 기울기는 하기 수학식 I로 정의되었다.
Figure 112008089298884-pct00002
실시예 2
본 실시예는 본 발명의 방법에 의해 달성되는 조율가능한 선택성을 나타낸 다.
연마제 및 촉매 농도와 텅스텐 및 산화물 제거 속도 사이의 관계를 설명하기 위해, 연마제 농도 및 촉매 농도가 계통적으로 다양한 일련의 연마 실험을 수행하였다. 연마제는 평균 1차 입자 크기가 25 nm인 축중합 실리카 (푸조)이고, 촉매는 질산철이었다. 연마제 및 촉매의 농도와 물질 제거 속도 및 텅스텐:산화물 선택성 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112008089298884-pct00003
표 2에 나타낸 결과에 기초한, 텅스텐 산화물 제거 속도 (하기 수학식 II) 및 산화물 제거 속도 (하기 수학식 III)의 수학적 모델은 하기와 같았다.
Figure 112008089298884-pct00004
Figure 112008089298884-pct00005
결과는 텅스텐 제거 속도가 단지 촉매 농도에 따르며, 산화물 제거 속도가 연마제 농도에 따라 선형적으로 의존함을 증명하였다. 이에 따라, 조율가능한 선택성을 갖는 화학적-기계적 연마 조성물의 제조 방법은 수학식 II 및 수학식 III에 기초하여 고안될 수 있었다. 예를 들면, 제1 화학적-기계적 연마 조성물이 촉매 22.5 ppm 및 연마제 0.66 중량％를 포함하고 제2 화학적-기계적 연마 조성물이 연마제 3 중량％를 포함하는 경우, 텅스텐 제거 속도, 산화물 제거 속도 및 텅스텐:산화물 선택성은 최종 화학적-기계적 연마 조성물 중 제1 화학적-기계적 연마 조성물 대 제2 화학적-기계적 연마 조성물의 다양한 비율에 따라 산출될 수 있었다. 산출 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
Figure 112008089298884-pct00006
결과는 최종 화학적-기계적 연마 조성물 중 제1 화학적-기계적 연마 조성물 대 제2 화학적-기계적 연마 조성물의 적절한 비율을 선택함으로써 최종 사용자에 의해 최종 선택성이 용이하게 제어됨을 증명하였다.

Claims (26)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. (a) 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판을 제공하는 단계(여기서, 상기 제1 층 및 제2 층은 화학적-기계적 연마 조성물과 접촉되지 않았음),
    (b) (i) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제1의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제1 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하는 단계, (ii) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대해 제2의 선택성을 갖는 연마제를 포함하는 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 제공하며, 여기서 제2 화학적-기계적 연마 조성물은 제1 화학적-기계적 연마 조성물의 존재하에 안정하고, 제1의 선택성과 제2의 선택성은 상이한 것인 단계, 및 (iii) 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 최종 선택성을 갖는 최종 화학적-기계적 연마 조성물이 달성되도록 소정의 비율로 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물을 혼합하는 단계를 포함하는, 최종 화학적-기계적 연마 조성물을 제조하는 단계,
    (c) 기판을 최종 화학적-기계적 연마 조성물과 접촉시키는 단계,
    (d) 기판에 대해 연마 패드를 그 사이의 최종 화학적-기계적 연마 조성물과 함께 이동시키는 단계, 및
    (e) 기판의 적어도 일부를 마모시켜, 기판을 연마하는 단계
    를 포함하는, 기판의 화학적-기계적 연마 방법.
  4. 제3항에 있어서, 제1 층이 금속 층이고, 제2 층이 유전체 층인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 제1 층이 텅스텐을 포함하는 것인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 제1 층이 금속 층이고, 제2 층이 규소 산화물을 포함하는 유전체 층인 방법.
  7. 제3항에 있어서, 제1 층이 금속 층이고, 제2 층이 규소 산화물, 규소 옥시니트라이드 또는 도핑된 규소 산화물을 포함하는 유전체 층인 방법.
  8. 제3항에 있어서, 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 제1의 선택성이 25:1 내지 1:1인 방법.
  9. 제3항에 있어서, 제2 층과 비교하여 제1 층에 대한 제2의 선택성이 0.04:1 내지 1:1인 방법.
  10. 제3항에 있어서, 제1 화학적-기계적 연마 조성물이
    (a) 다수의 산화 상태를 갖는 무기 철 화합물 및 유기 철 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 철 촉매,
    (b) 인산, 프탈산, 시트르산, 아디프산, 옥살산, 말론산, 벤조니트릴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 안정화제,
    (c) 테트라알킬암모늄 히드록사이드 및 아미노산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 에칭 억제제, 및
    (d) 액상 담체
    를 더 포함하고,
    임의로는, 철 촉매가 질산철이고, 안정화제가 말론산이고, 억제제가 테트라부틸암모늄 히드록사이드이고, 연마제가 실리카인 방법.
  11. 제3항에 있어서, 제2 화학적-기계적 연마 조성물이 테트라알킬암모늄 히드록사이드 및 액상 담체를 더 포함하는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 테트라알킬암모늄 히드록사이드가 테트라부틸암모늄 히드록사이드인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 연마제가 실리카인 방법.
  14. 제3항에 있어서, (b)(iv) 제1 및 제2 화학적-기계적 연마 조성물의 혼합물에 산화제를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 산화제가 과산화수소인 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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